Бензиновые двигатели: тенденции развития

В статье дан аналитический обзор перспективных технических решений по бензиновым двигателям легковых автомобилей, направленных на существенное снижение расхода топлива и количества выбросов СО₂ с отработавшими газами. Показано, что основной тенденцией развития конструкции бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) обычного автомобиля является рост применения турбонаддува, сопровождаемый повышением литровой мощности и понижением размерности ДВС, снижением расхода топлива и количества выбросов СО₂ при сохранении скоростных свойств автомобиля. Главной тенденцией улучшения эффективности таких ДВС будет повышение степени расширения (сжатия) до 13-15 единиц. Для решения проблем детонационного сгорания в краткосрочной перспективе ожидается рост применения и улучшения существующих технологий (непосредственного впрыска бензина, регулируемого клапанного привода, регулирования вихря), а также освоение новых технологий (цикл Миллера, регулирование степени сжатия, рециркуляция охлаждённых отработавших газов). Способы улучшения бензиновых ДВС-гибридов зависят от степени электрификации силового привода. При относительно низкой степени электрификации в таких ДВС ожидается улучшение пуска и виброакустики, повышение эффективности за счёт мер, характерных для обычных ДВС. При высокой степени электрификации более важными становятся мощность, виброакустика, размеры и стоимость двигателя, а высокую эффективность обеспечивает конструкция и оптимальное управление комбинированной энергетической установкой в целом. В отдалённой перспективе (после 2025 г.) вероятным направлением дополнительного повышения эффективности ДВС может стать реализация сгорания гомогенной бедной смеси, в том числе с использованием режима низкотемпературного сгорания. Осуществление этого направления будет зависеть от успеха в разработке эффективных и недорогих технологий снижения выбросов NO_x в продуктах бедного сгорания, а также быстродействующих, самообучающихся систем контроля.

бензиновый двигатель, СО₂, расход топлива, непосредственный впрыск бензина, турбонаддув, степень сжатия, детонация

1. EPA and NHTSA finalize historic national program to reduce greenhouse gases and improve fuel economy for cars and trucks. EPA-420-F-10-014. URL: http://www. cnama.org/wp-content/uploads/2010/10/420f10014.pdf (дата обращения: 19.01.2017).

2. Annual mean CO2 concentration at Mauna Loa Observatory. National Oceanic and Atmospheric Administration. Recent monthly average Mauna Loa CO2. URL: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ (дата обращения: 19.01.2017).

3. On the road toward 2050: Potential for substantial reductions in light-duty vehicle energy use and greenhouse gas emissions / Ed. J. Heywood and D. MacKenzie. - MIT Energy Initiative Report, 2015. - 288 с.

4. Advancing technology for America’s transportation future. - Summary Report, National Petroleum Council, 2012. - 69 с.

5. Transitions to alternative vehicles and fuels. National Research Council Committee on Transitions to Alternative Vehicles and Fuels. - Washington, National Academy Press, 2013. - 395 с.

6. Catalogue of «Automobil Revue». - Berne, 2005, 2009, 2015. - 594 с.

7. Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Автомобильные бензиновые двигатели: смена приоритетов // Труды НАМИ. - 2013. - № 252. - С. 5-31.

8. Isenstadt A., German J., Dorobantu M. Naturally aspirated gasoline engines and cylinder deactivation. International Council on Clean Transportation Working Paper 2016-12. - 2016. - С. 1-16.

9. Isenstadt A., German J., Dorobantu M., Boggs D., Watson T. Downsized, boosted gasoline engines. International Council on Clean Transportation Working Paper 2016-21. - 2016. - С. 1-23.

10. Каменев В.Ф., Миронычев М.А., Сонкин В.И. Перспективы и проблемы непосредственного впрыска бензина // Труды НАМИ. - 2003. - № 231. - С. 63-85.

11. Сонкин В.И. Регулируемый клапанный привод автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение, 2015. - 124 с.

12. Зленко М.А. Повышение топливной экономичности бензиновых двигателей путём отключения части цилиндров: дисс.. канд. техн. наук. - М., 1986. -210 с.

13. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф., Зайченко Е.Н., Аршинов Л.С. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. - М.: Машиностроение, 1991. - 336 с.

14. Сонкин В.И. Бензиновый двигатель пониженной размерности - современная концепция // Труды НАМИ. - 2015. - № 261. - С. 68-84.

15. Автомобильные двигатели / под ред. М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.

16. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. - McGraw-Hill Inc., 1988. - 930 с.

17. Bruce C. Volkswagen’s new engine packs a variable geometry turbo. URL: http://www.autoblog. com/2016/04/28/volkswagen-engine-variable-turbo-ea211-vienna/ (дата обращения: 19.01.2017).

18. Mazda CX-9 shows 32% improvement in EPA-estimated fuel economy over predecessor; SKY-ACTIV-G 2.5 turbo. URL: http://www.greencarcongress. com/2016/03/2016-mazda-cx-9-shows-32-improvement-in-epa-estimated-fuel-economy-over-predecessor-skyac-tiv-g-25-tu.html (дата обращения: 19.01.2017).

19. Audi introduces new high-efficiency 2.0L TFSI based on Miller Cycle; 190 hp, 47 mpg. URL: http://www. greencarcongress.com/2015/05/20150708-audi.html (дата обращения: 19.01.2017).

20. Двигатель внутреннего сгорания: патент 2030608 Росс. Федерация. № 4787772/06; заявл. 02.02.1990; опубл. 10.03.1995.

21. Hubkolben-brennkraftmaschine mit variablem verdichtungsverthaltnis: patent DE 5010234D1, 2002.

22. Kendal J. Nissan unveils 2018 production variablecompression-ratio IC // Automotive Engineering, October 03, 2016. URL: http://articles.sae.org/15040/ (дата обращения: 19.01.2017).

23. Magda M. Porsche working on variable compression connecting rod. URL: http://www.enginelabs.com/ news/porsche-working-on-variable-compression-con-necting-rod/ (дата обращения: 19.01.2017).

24. Wilcutts M., Switkes J., Shost M., Tripathi A. Design and benefits of dynamic skip fire strategies for cylinder deactivated engines // SAE Paper. - 2013. - № 201301-0359. - С. 1-11.

25. Birch S. Ford tests cylinder deactivation on its 1.0-L EcoBoost triple // Automotive Engineering. - 2015. -Vol. 2. - № 6. - С. 6-8.

26. Nakata K., Nogava S., Takashi D., Yoshihara Y., Kumagai A., Suzuki T. Engine technologies for achieving 45% thermal efficiency of S.I. engine // SAE International Journal Engines. -2016. - № 9. - С. 179-185.

27. Сонкин В.И., Артёмов А.А., Иванов Д.А., Шустрое Ф.А. Бензиновый двигатель с процессом управляемого самовоспламенения // Труды НАМИ. - 2010. - № 245. - С. 30-41.

28. Wagner R.M. Engines of the Future. URL: https:// www.asme.org/engineering-topics/articles/energy/en-gines-of-the-future (дата обращения: 19.01.2017).

29. German J. Hybrid vehicles technology development and cost reduction. International Council on Clean Transportation, Technical Brief. - 2015. - № 1. - С. 1-18.

30. Kawamoto N., Naiki K., Kawai T., Shikida T., Tomatsuri M. Development of new 1.8-liter engine for hybrid vehicles // SAE Paper. - 2009. - № 2009-01-1061. -С. 1-9.

31. Fraidl G., Ebner P., Geiger U., Atzwanger M., Grantner H., Weissback M. Impact of electrification on the internal combustion engine / Proceedings Engine & Environment 2009: Combustion Engine and Electric Drive -Partners or Competitors in the Powertrain of the Future? 21st International AVL Conference “Engine & Environment”, September 10-11, 2009. - Graz, Austria, 2009. -С. 175-186.

32. Beste F., Fischer R., Ellinger R., Pels T. The pure Range Extender as enabler for electric vehicle / Proceedings Engine & Environment 2009: Combustion Engine and Electric Drive - Partners or Competitors in the Powertrain of the Future? 21st International AVL Conference “Engine & Environment”, September 10-11, 2009. - Graz, Austria, 2009. - С. 91-100.

33. Yamaguchi J. Steering Mazda’s unique course // Automotive Engineering. - 2016. - Vol. 3. - № 8. -P. 18-22.